球形核酸（SNA）即DNA多功能化納米顆粒（NP），是DNA相關組裝、傳感和治療等應用的關鍵納米單元。SNA具有緊密嫁接的DNA鏈和由此帶來的諸多獨特性質，包括可調的雜交活性、增強的/多價靶標結合、陡峭的熔解轉變曲線、抗核酸酶/鹽穩定性和無載體細胞攝取等。SNA合成通常始于水溶液中帶有巰基末端的DNA與金納米顆粒（AuNP）之間的相互作用。DNA和AuNP上的負電荷會導致強烈的庫侖排斥，不利于DNA接近金表面。為了克服此障礙，需要添加鹽以屏蔽靜電力，但這會增加NP團聚的風險。Mirkin等人意識到這一點，采用逐步加鹽和延長陳化時間以最大化DNA負載量。同樣，表面活性劑也可用于穩定AuNP。修飾有高密度DNA鏈的納米粒子（NP），也稱為球形核酸（SNA），廣泛用于可編程的DNA組裝、傳感、成像和治療。常規的SNA合成過程非常耗時，且需要格外小心以避免NP聚集。中國科學技術大學鄧兆祥等人報道了一種極其簡單、快速、高效且可望規模化制備的過程，作者稱之為“INDEBT”(Instantaneous Dehydration in Butanol)，可瞬間生成具有創紀錄的高DNA密度SNA。該方法依賴于DNA/NP混合物和丁醇相接觸時的快速除水。該過程產生均勻混合的DNA/NP脫水“固溶體”，大大加速了DNA在NP表面的Au-S鍵錨定反應。與文獻中最先進的DNA修飾策略相比，丁醇中瞬間脫水（INDEBT）最高能使DNA密度增加至3倍左右。這種超致密的DNA嫁接反應在幾秒鐘內即可完成，所得SNA可用于高密度核-衛星組裝體的構建。這一工作使SNA合成變得輕而易舉，并使未來能夠探索具有超高DNA密度SNA的物理、化學和生物學效應。該成果以“Flash Synthesis of Spherical Nucleic Acids with Record DNA Density”為題發表在J. Am. Chem. Soc.上。
A）操作流程；
（B-C）凝膠電泳結果顯示，隨丁醇：H2O體積比增加，檸檬酸鹽（B）和磺化三苯基膦（C）保護的15 nm AuNP表面DNA修飾量先緩慢增加（B）或幾乎不變（C），發生脫水（INDEBT）時DNA接枝量急劇增加。
A-D）通過冷凍和INDEBT獲得的系列尺寸（5-45 nm AuNP，21-89b DNA）SNA的電泳圖和熒光DNA定量；
（E）不同方法制備的SNA的DNA修飾密度對比。
圖3. 冷凍-INDEBT分步修飾及納米熒光探針制備
（A）通過冷凍-INDEBT分步過程獲得的DNA載量；
（B）雙鏈DNA修飾；
（C）納米探針表面帶FAM熒光標簽DNA的釋放量；
（D）目標DNA誘導帶FAM標簽DNA釋放過程的熒光監測。
圖4. INDEBT獲得的SNA用于高密度核-衛星組裝
（A）組裝結果的凝膠電泳表征；
（B）基于TEM的組裝產物衛星計數；
（C-D）以冷凍和INDEBT制備的DNA功能化AuNP和AuNR（金納米棒）為核組裝得到的核-衛星結構TEM圖像。
文章利用丁醇引起的瞬間脫水（INDEBT）實現SNA的秒速生成。該方法不需要特殊的設備、苛刻的條件和難以掌握的技巧，因而可望進一步擴大制備規模。新策略不僅減小了SNA制備過程的時間和失敗率，而且使DNA接枝密度達到了新記錄。這一進展對促進DNA納米技術的快速發展和SNA的廣泛應用十分及時。該工作所實現的具有極高DNA密度的SNA將鼓勵人們進一步探索其獨特的化學和生物學效應。丁醇萃取是分子生物學實驗室的常規技術，其在SNA合成中展示的新用途預示了INDEBT在化學/納米技術中進一步應用的可能性。文獻鏈接：Flash Synthesis of Spherical Nucleic Acids with Record DNA Density, J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI:10.1021/jacs.1c00568鄧兆祥，男，博士，中國科學技術大學化學與材料科學學院教授，博士生導師。2014年度國家杰出青年科學基金獲得者。1991-2000年于中國科學技術大學應用化學系和化學系學習并獲理學學士和博士學位，2000-2002年清華大學化學系博士后，2002-2005年美國普度大學化學系博士后。自2005年起任中國科學技術大學化學系教授。研究工作緊扣生物分子（主要為DNA）和納米材料之間可控的物理和化學相互作用，如分子識別、選擇性表面吸附、粒子形狀和空間效應、界面電子和能量轉移以及物性耦合等，結合凝膠電泳、電化學和光譜分析等手段，重點研究：（1）不同組成、形狀和物理、化學特性的納米材料穩定可控的生物修飾方法；（2）用于精確控制納米材料表面配基數目（價態）以及監測納米組裝過程的高效分離、分析方法；（3）強偶聯納米結構的程序化組裝策略及在分析、傳感中的應用。在Acc. Chem. Res.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，CCS Chem.，Sci. China Chem.，Nano Lett.，Adv. Mater.，Chem. Sci.，Small，Chem. Commun.等期刊發表SCI收錄論文100余篇。受邀在國內外學術專著中撰寫5章，包括《DNA納米技術：分子傳感、計算與機器》（科學出版社），《Materials Science of DNA》（CRC出版社）和《DNA Nanotechnology: From Structure to Function》（Springer出版社）等。通用電化學模擬軟件ecNETSIM唯一作者（非商業用途免費）。曾獲中國化學會“青年化學獎”等獎項。應邀擔任化學學報、中國化學快報、分析化學、中國科學技術大學學報以及Analytical and Bioanalytical Chemistry期刊編委。文章轉載自微信公眾號：材料人
